При повышении температуры процесса до 240°С степень полимеризации целлюлозы уменьшается. Это объясняется тем, что образовавшаяся в результате гидролиза гемицеллюлозы уксусная кислота деполимеризует микрофибрилы целлюлозы на аморфных участках. В итоге уменьшается длина полимерных цепочек и увеличивается кристалличность целлюлозы, повышается ее химическая стойкость и снижается активность. При этом удаляется связанная вода, оксид и диоксид углерода.
Данные изменения положительно влияют на показатели равновесной влажности и стабильности размеров термомодифицированной древесины (она значительно утратит способность к впитыванию влаги – «набуханию», что в свою очередь ведет к повышению стабильности ее размеров). Несколько увеличатся показатели твердости древесины при незначительном уменьшении прочности. Пространства между целлюлозными микрофибриллами заполнены неуглеводным полимером лигнином, а также гемицеллюлозами.
При повышении температуры процесса до 120 °С из ацетилированной гемицеллюлозы путем гидролиза образуется уксусная кислота, которая при дальнейшем повышении температуры процесса служит катализатором гидролиза гемицеллюлозы до растворимых сахаров (арбидозы, галактозы, ксилозы, маннозы). Эти сахара выводятся из технологического процесса за счет своей растворимости в воде.
Температура полного разложения гемицеллюлозы в зависимости от условий процесса варьируется в интервале от 200 до 260 °С. При известных условиях термообработки древесины лишь небольшая часть гемицеллюлозы остается в ней, но это уже не влияет на приобретаемые древесиной новые качества. Результат - существенно снижается объем материала, чувствительного к грибку, что приводит к повышению (на несколько порядков) показателей устойчивости к разрушению под воздействием грибка по сравнению с древесиной мягких пород, высушенной в обычной печи.
Лигнин, как аморфный полимер, является своего рода связующим между фибриллами целлюлозы, придавая прочность и жесткость клеточной стенке (если целлюлоза по своим свойствам соответствуют арматуре, то лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, — бетону).
Лигнин нерастворим в воде и органических растворителях, устойчив к действию ферментов, не участвует в обмене веществ.
При низких температурах процесса (до 200 С) преобладающими являются реакции гидролитического разложения углеводов древесины и частичная деполимеризация лигнина с образованием низкомолекулярных фрагментов, способных растворяться в органических растворителях (диоксан - вода, этанол-вода, ацетон-вода) и в водных растворах щелочей. Повышение температуры процесса усиливает степень деструкции углеводов древесины, а между тем с реакциями деполимеризации лигнина начинают конкурировать реакции его реполимеризации. Поэтому, при изменении температуры технологического процесса до 200 С количество лигнина в древесине падает, а с увеличением температуры процесса количество лигнина заметно возрастает, достигая 33.0 – 36,0%. По видимому, этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что древесина в процессе термообработки практически не теряет своих прочностных качеств, так как содержание своеобразного «цемента» в ее структуре практически не меняется.
Древесина содержит незначительное количество маломолекулярных компонентов. На экстрактивные вещества приходится менее 5% древесины. Экстрактивные вещества разнородны в различных породах дерева, и количество составных структур очень велико. Экстрактивные вещества не являются структурными компонентами древесины, большинство составных структур легко испаряются при термообработке.
3. Механическая обработка ТМД.
Важно, что термообработка, в отличие от импрегнирования под давлением или химического воздействия на дерево, происходит перед дальнейшей переработкой древесины, а это значит, что ни фрезерные, ни строгальные, ни шлифовальные станки не могут изменить качества и красоты шелковистой поверхности дерева.
Приведенные ниже рекомендации по работе с термомодифицированной древесиной (ТМД) базируются на накопленных знаниях в области технологии термообработки древесины и практическом опыте работы с этим материалом.
Распиловка
Внутреннее давление древесины снимается при соответствующем технологическом процессе термообработки. Таким образом, после распиловки никакой деформации с ТМД не происходит. Поскольку обработанная по данной технологии древесина не содержит смол, требования к мощности режущего оборудования снижены, а срок его службы существенно возрастает. Распиловка обработанной по данной технологии древесины не отличается от распиловки необработанной. В местах расположения сучков особо выраженных трещин или задиров не отмечается (по сравнению с породами дерева, высушенными в обычной печи). Единственная проблема - это пыль. Поскольку прошедшая термообработку древесина очень сухая, пыль получается тонкодисперсной и легко распространяется повсюду. Это необходимо учитывать при разработке соответствующих вытяжных систем. Как и при работе с любым другим типом древесины, существует риск взрыва пыли при определенных условиях. Поскольку лезвия с редкими зубцами могут вызвать образование сколов кромок ТМД, рекомендуется применять лезвия с частыми зубцами. Твердосплавные или аналогичные им лезвия увеличивают интервалы для технического обслуживания и восстановительного ремонта резцов.
При работе с ТМД рекомендуется использовать ручной режущий инструмент с количеством зубьев не менее 8 на 1 дюйм, или торцовочную пилу с количеством оборотов не менее 7800 об/мин.
Фрезерование
Для получения хорошего качества поверхности, особенно при фрезеровании, резцы должны быть хорошо заточенными, в противном случае образуются задиры. Более высокая степень образования задиров наблюдается при обработке древесины в направлении, поперечном направлению волокна. Наибольшие проблемы могут возникнуть в начале и конце работы, когда резцы появляются из древесины.
Фрезерование подвергнутой термообработке древесины аналогично работе с жесткими и ломкими твердыми породами дерева. Установлено, что порядок работы влияет на рабочие характеристики древесины.
Виды соединения
Штифтовое соединение. Для механической обработки применяемых в таких соединениях штифтов рекомендуется использовать твердосплавные резцы. Также рекомендуется наносить клей на оба конца для обеспечения жесткого соединения. Поскольку работа с затупленными резцами приводит к сколам штифтового соединения, особое значение придается тому, чтобы резцы были хорошо заточены. Также было обнаружено, что более низкие обороты снижают риск появления сколов штифтового соединения. Ряд разновидностей штифтовых соединений прошли успешные испытания. Промышленные испытания показали, что предварительное строгание материала перед штифтовым соединением выдало более успешные результаты и обеспечивало более высокую производительность и меньшее количество простоев. Кроме того, предварительное строгание улучшает эксплуатационные характеристики видеосистем станков в автоматизированных линиях резки.
Механические соединения. Раскалывания или растрескивания материала можно избежать при использовании самонарезающих винтов и винтов с потайными головками или с предварительным просверливанием отверстий. Винты выбираются в зависимости от конечной цели применения. Крупные сучки (особенно это актуально для размера поперечного сечения) всегда являются фактором риска для термодревесины, поскольку в ней недостаточное содержание смол, которые в обычной древесине ведут себя как связка или сцепление между сучком и прилегающими участками. Хорошая формоустойчивость термообработанной древесины позволяет проектировать соединения с меньшими допусками по сравнению с обычной древесиной.
Для забивания гвоздей рекомендуется использовать пневмоинструмент. Использование обычного молотка увеличивает риск раскола при контакте молотка с древесиной. Для уменьшения риска ржавчины рекомендуется при наружных работах использовать гвозди из нержавеющей стали, либо специально покрытые. Рекомендуется использовать гвозди с маленькой овальной головкой для уменьшения риска скалывания
Строгание
Во избежание растрескивания досок рекомендуется обеспечить плоскую поверхность основы при помощи продольно-строгального или ленточно-отрезного станка перед началом профилирования. По имеющимся данным, прошедшая термообработку древесина вызывает меньше трения при врезании и способствует более плавному процессу строгания. Это происходит из-за недостаточного количества смол в древесине. С другой стороны, поскольку прочность материала ниже, врезные ролики должны быть отрегулированы на меньшее давление во избежание растрескивания досок. При снижении скорости врезания скорость вращения резцов должна быть снижена соответственно. Слишком высокое соотношение между значениями скорости врезания и скорости вращения резцов может вызвать воспламенение поверхности древесины.
Наилучшие результаты были получены, когда за резцом оставалось достаточное количество цельного материала.
Из этого следует, что порядок работы должен быть тщательно распланирован заранее. По сравнению с обычной древесиной резцы изнашиваются медленнее.
Шлифование
В целом работа такая же, как и с необработанной древесиной, никаких осложнений не выявлено. Во многих случаях необходимости в обработке наждачной шкуркой нет, поскольку подвергнутая термообработке древесина имеет достаточно хорошее качество поверхности после строгания или фрезерования. Шлифование происходит легко и шлифовальная бумага не забивается смолой.
Покрытие маслом или лаком